CN101934430A - 激光狭槽焊接装置以及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供向狭槽内进给固体焊料并在焊接进行方向上扫描激光从而进行焊接的用于狭槽焊接的激光狭槽焊接装置以及焊接方法,在厚板的激光狭槽焊接中,防止在焊道和槽侧壁之间产生的熔合不良,抑制焊料接触到槽的侧壁并熔积从而在下一层以后的焊接中焊料进给不便、熔合不良的问题。上述狭槽焊接装置具有激光照射头和焊料控制装置;上述激光照射头,具有使激光的照射位置在槽的底部以一定的振幅周期性地摆动的机构;上述焊料控制装置具有固体焊料供给部,向用该激光在槽的底部形成的熔池供给固体焊料,并独立于上述激光照射头的动作地进行进给位置的调整使得检测到的固体焊料的前端位置总是处于槽中央。

Description

激光狭槽焊接装置以及焊接方法
技术领域
本发明涉及一种利用激光对厚板进行堆焊的堆焊装置以及焊接方法。
背景技术
对钢铁材料、镍基合金等厚板一般以如下方法进行焊接,在焊接部位形成槽,一边供给焊丝、焊条等焊料一边通过多焊层的堆焊来填槽,但是,由于随着板厚的增加,槽的剖面积增加,存在由焊层数的增加而导致生产效率降低、由变形、焊接扭曲的增大而导致焊接质量降低等问题。
因此,开发了使槽狭窄而降低必需的熔积(溶着)金属量的狭槽焊接方法,致力于针对热源提高电弧的定向性或使用聚焦性高的激光等来应对狭槽化。尤其是通过近年来振荡器的进步,输出、聚焦性的提高变得显著,例如在专利文献1中记载的使得在原有的电弧热源中不可能的狭槽化成为可能。
【专利文献1】日本特开平09-201687号公报
发明内容
由于在利用上述激光的狭槽焊接中能量的集中性高,因此通常较之电弧焊接,形成的焊道的宽度变小。另一方面,槽的形状以避开与激光相干涉的方式决定,由于激光从聚焦透镜以相应于透镜的焦点距离的一定聚光角度照射到槽的底部,因此随着焊接部位的板厚增加、槽变深,必需的槽的上部宽度也扩大。因此存在以下问题,即使在槽的下部每一层可进行一焊层完整的焊接,但随着在槽的上部进一步地层积,在槽的壁和焊道之间易产生熔合不良。
另外,在激光狭槽焊接中,存在以下问题,由于槽的宽度小,因此焊丝、焊条等固体焊料的进给容易在向槽侧壁方向偏移的状态下进行,向侧壁方向偏移而形成的熔积部在进行下一层焊接时成为进给焊料的障碍从而阻碍进行完整的焊接。
另外存在以下问题,在激光狭槽焊接中,由激光的照射产生的金属蒸气充满狭槽内,激光散射而使得向焊接部的热输入功率降低。本发明以解决上述原有技术的缺点作为课题。
本发明为一种激光狭槽焊接装置,一边向狭槽内进给固体焊料一边在焊接进行方向上扫描激光,在形成于上述槽底部的熔池使固体焊料和被焊接材料熔融从而进行焊接;其特征在于,上述激光狭槽焊接装置具有激光照射头和焊料控制装置;上述激光照射头,使上述槽底部的激光照射量周期性地变化;上述焊料控制装置,具有向上述熔池供给固体焊料的固体焊料供给部和检测固体焊料的前端位置的位置检测装置,并独立于上述激光照射头的动作地进行固体焊料的位置调整,使得固体焊料前端位于槽中央。
另外,上述激光照射头,使上述槽底部的上述激光的照射位置与槽底部平行地以规定振幅周期性地摆动。
另外,上述焊料控制装置,与使激光的照射位置在上述槽底部摆动的周期同步,使由上述固体焊料供给部供给的固体焊料的供给速度周期性地变化。
另外,上述激光照射头,使激光聚光点的尺寸在槽的底部在规定的尺寸范围内周期性地变化。
另外,上述焊料控制装置,与使激光聚光点的尺寸在上述槽的底部变化的周期同步,使由上述固体焊料供给部供给的固体焊料的供给速度周期性地变化。
另外,上述激光狭槽焊接装置具有包括内侧管嘴和外侧管嘴的保护气体供给装置,上述内侧管嘴将插入上述槽中的前端和激光聚光点的中心之间的距离保持为规定的间隔,并且,向上述熔池喷出保护气体,上述外侧管嘴内包上述内侧管嘴而形成双层管结构、向上述熔池的周围喷出保护气体。
另外,上述激光狭槽焊接装置具有保护气体供给装置,该保护气体供给装置的上述外侧管嘴位于槽的外部,上述外侧管嘴前端和槽上部之间的距离维持为规定的间隔。
再有,一种激光狭槽焊接方法,一边向狭槽内进给固体焊料一边在焊接进行方向上扫描激光,在形成于上述槽底部的熔池使固体焊料和被焊接材料熔融从而进行焊接;其特征在于,使上述槽底部的激光照射量周期性地变化,检测固体焊料的前端位置,并独立于上述激光照射头的动作地进行固体焊料的位置调整,使得固体焊料前端位于槽中央。
再有,使上述槽底部的上述激光的照射位置与槽底部平行地以规定振幅周期性地摆动。
再有,与使激光的照射位置在上述槽底部摆动的周期同步,使由上述固体焊料供给部供给的固体焊料的供给速度周期性地变化。
再有,使激光聚光点的尺寸在槽底部在规定的尺寸范围内周期性地变化。
再有,与使激光聚光点的尺寸在槽底部变化的周期同步,使由上述固体焊料供给部供给的固体焊料的供给速度周期性地变化。
再有,上述激光狭槽焊接方法具有以下保护气体供给方法,将插入槽中的前端和激光聚光点的中心之间的距离保持为规定的间隔,并且,向上述熔池喷出保护气体,而且向上述熔池的周围喷出保护气体。
再有,上述激光狭槽焊接方法具有以下保护气体供给方法,上述外侧管嘴位于槽的外部,并且将上述外侧管嘴前端和槽上部之间的距离维持为规定的间隔。
本发明具有激光照射头和焊料控制装置,上述激光照射头使激光照射量在槽底部周期性地变化,上述焊料控制装置独立于上述激光照射头的动作地进行进给位置的调整,使得固体焊料的前端位置总是位于槽的中央,据此即使在焊接部的板厚增加时可抑制在槽上部的侧壁和焊道之间产生的熔合不良,可进行完整的狭槽焊接。
另外,本发明能够防止固体焊料的进给位置向槽的侧壁侧偏移而导致固体焊料在槽的侧壁熔积从而在焊接下一层时固体焊料的进给紊乱的问题。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的示意图。
图2A是表示本发明的实施例1的槽和焊丝、以及激光的摆动运动的位置关系的俯视示意图。
图2B是表示本发明的实施例1的槽和焊丝、以及激光的摆动运动的位置关系的剖面示意图。
图3是表示本发明的实施例2的示意图。
图4A是表示本发明的实施例2的槽和焊条、以及激光的焦点位置的往复运动的位置关系的俯视示意图。
图4B是表示本发明的实施例2的槽和焊条、以及激光的焦点位置的往复运动的位置关系的剖面示意图。
符号说明
1       激光照射头
2       焊料控制装置
21      焊料供给部
22      焊料供给管嘴
23      摄像机
24      激光位移计
3       保护气体供给装置
31      内侧管嘴
32      外侧管嘴
4       激光
41      激光聚光点
42      激光的摆动方向
43      激光的焦点位置
44      焦点位置的往复运动方向
5          槽
51         槽底部
61         焊丝
62         焊条
8          熔池
91         焊道
100        被焊接材料
具体实施方式
作为第一实施方式,本发明在使用了激光的厚板的狭槽焊接中,使用具有激光照射头和焊料控制装置的焊接装置来抑制焊接不良,上述激光照射头使激光的照射位置在槽的底部以规定的振幅周期性地摆动,上述焊料控制装置向用激光在槽的底部形成的熔池供给焊丝、焊条等固体焊料,检测固体焊料的前端位置并独立于上述激光照射头的动作地进行进给位置的调整使得前端总是处于槽中央。
另外,作为第二实施方式,本发明使用具有激光照射头和固体焊料供给部的焊接装置来抑制焊接不良,上述激光照射头使激光的聚光点尺寸在槽的底部在规定的尺寸范围内周期性地变化,上述固体焊料供给部向用激光在槽的底部形成的熔池供给固体焊料,检测出固体焊料的前端位置并独立于上述激光照射头的动作地进行进给位置的调整使得焊料前端总是处于槽中央。
实施例1
图1是本发明的实施例1,是表示焊接装置的结构以及焊接过程的示意图,从焊接进行方向的侧方概略地表示槽的内部。1是输出为10kw的激光照射头,11是焊接进行方向,2是焊料控制装置,21是焊料供给部,22是焊料供给管嘴,23是作为焊料前端位置检测装置的摄像机,3是保护气体供给装置,31是内侧管嘴,32是外侧管嘴,4是激光,5是槽,51是槽底部,61是作为固体焊料的焊丝,71是来自内侧管嘴31的保护气体的气流,72是来自外侧管嘴32的保护气体的气流,8是熔池,91是焊道,100是被焊接材料。在实施例1中,被焊接材料的材质为SUS304,焊丝的材料为Y308L,保护气体为氮气。
从焊接进行方向11的前方利用焊料供给部21通过焊料供给管嘴22连续地向由激光4熔融形成的金属熔池8供给焊丝61,从而形成了焊道91。此时利用从保护气体供给装置3的内侧管嘴31朝向熔池8喷出的保护气体的气流71,吹散从熔池8产生的金属蒸气,防止激光4的散射。另外,利用从外侧管嘴32朝向熔池8的周围喷出的保护气体的气流72,抑制焊接部附近的加热区域被大气氧化的问题。
图2A是从槽5的上部概略地表示焊接部的俯视示意图,图2B是概略地表示从焊接进行方向11的前方看与槽5的长度方向正交的剖面的剖面示意图。11表示焊接进行方向。41是激光聚光点,42是与激光4的槽底部平行的摆动方向,92是在上次的焊层形成的焊道。
使激光照射头1在焊接进行方向11上扫描,并且,使激光4在槽5的底部在与焊接进行方向11正交的方向上以规定的振幅周期性地摆动,据此热能被充足并均匀地供给到焊接部,可抑制在槽5的侧壁和焊道91之间产生的熔合不良。使激光4摆动的振幅大概为从焊接部的槽的宽度减去激光聚光点41的直径的值,摆动周期根据焊接装置能够进行稳定地操作的热条件以及结构条件等而设置为10~50Hz的范围。
进行上述焊接过程时,与激光4的摆动周期同步地通过焊料控制装置2用焊料供给部21进行焊丝61的供给速度控制。即,如下进行周期性的供给速度控制,在激光聚光点41处于槽5的中央时,焊丝61的供给速度为最大,在激光聚光点41最接近槽5的侧壁时,焊丝61的供给速度最小。通过这样的控制,可根据热供给量供给最适量的焊丝,从而不产生焊丝61的熔融不良地进行没有缺陷的稳定的焊接。
另外,用摄像机23检测出焊丝61的前端位置,利用焊料控制装置2,与激光4的位置独立地进行调整使得焊丝61的前端总是位于槽5的中心。在槽5内部的焊丝61的前端位置通过对经由光学过滤器的CCD照相机等摄像机23所得到的影像进行图像分析而求得,并将其反馈到焊料控制装置2以及焊料供给部21从而进行位置调整。通过该控制,能够防止在焊道的前层中焊丝61在槽5的侧壁熔积而在下一层焊接时阻碍焊丝61的进给的问题。在实施例1中,若槽5的深度为100mm,槽上部的宽度为10mm以下,则可进行完整的焊接。
在实施例1中,虽然被焊接材料100的材质为SUS304,焊丝61的材质与其对应为Y308L,但是也可以为其他的组合。另外,焊料若为可位置控制的固体焊料,则也可以为焊条。保护气体7也可以使用其他的惰性气体,二氧化碳,惰性气体和二氧化碳、氧气混合了的气体。保护气体供给装置3以及焊料供给部21的配置位置相对于焊接进行方向11也可以在本实施例的相反侧。激光聚光点41的形状不必为与本实施例相同的圆形,也可以使用椭圆、线形或矩形的激光聚光点。
实施例2
图3是本发明的实施例2,是表示焊接装置的结构以及焊接过程的示意图,从焊接进行方向的侧方概略地表示槽的内部。1是激光照射头,11是焊接进行方向,2是焊料控制装置,21是焊料供给部,22是焊料供给管嘴,24是激光位移计,3是保护气体供给装置,31是内侧管嘴,32是外侧管嘴,4是激光,5是槽,51是槽底部,62是作为固体焊料的焊条,71是来自内侧管嘴31的保护气体的气流,72是来自外侧管嘴32的保护气体的气流,8是熔池,91是焊道,100是被焊接材料。在本实施例中,被焊接材料的材质为SM400A,焊丝的材质为YGT50,保护气体为二氧化碳。
从焊接进行方向11的前方用焊料供给部21通过焊料供给管嘴22向由激光4熔融形成的熔池8供给焊条62,从而形成了焊道91。此时利用从保护气体供给装置3的内侧管嘴31朝向熔池8喷出的保护气体的气流71,吹散从熔池8产生的金属蒸气,可防止激光4的散射。另外,利用从外侧管嘴32向熔池8的周围喷出的保护气体的气流72,来抑制焊接部附近的加热区域被大气氧化的问题。
随着焊道91的层积的进行,槽5变浅,因此内侧管嘴31的前端位置缓缓上升,但是通过设置将外侧管嘴32的前端和槽5上端的距离保持为一定的装置,可防止从外侧管嘴32喷出的保护气体的气流72逃逸到槽5的外部,抑制对焊接部的保护性的降低。
图4A是概略地表示从槽5的上部所见的焊接部的俯视示意图,图4B是概略地表示从焊接进行方向11的前方看与槽5的长度方向正交的剖面的剖面示意图。11表示焊接进行方向。41是激光聚光点,43是激光4的焦点位置,44是焦点位置43的上下往复运动方向,21是前一层的焊道。
使激光照射头1在焊接进行方向11上扫描,并且,使激光4的焦点位置43沿往复运动方向44的方向、以规定的振幅、在与槽底部垂直的方向上往复运动,使形成于槽5的底部的激光聚光点41的大小变化而周期性地反复激光4仅照射到槽5的底部的状态和激光也照射到槽5的侧壁上的状态,通过进行如上控制,可抑制在槽5的侧壁和焊道91之间产生的熔合不良。使激光4的焦点位置43往复运动的振幅为激光聚光点41的直径从焊接部的槽宽度的大约1/2到槽宽度+4~5mm变化的振幅,摆动周期为从1Hz到5Hz的范围。
此时,通过焊料供给部21,与激光4的焦点位置43的往复运动的周期同步,在激光聚光点41的大小变为最小时,焊条62的供给速度为最大,在激光聚光点41的大小变为最大时,焊条62的供给速度为最小,通过进行如上的周期性的速度控制,可不产生焊条62的熔融不良地进行稳定的焊接。
使激光聚光点41周期性地变化的方法,除了使用在本实施例中记载的使激光4的焦点位置43上下往复运动的方法之外,还可以使用如下方法,通过在激光照射头1的内部调整由透镜的组合形成的聚光光学系统,而使激光4的聚光角度周期性地变化。激光聚光点41的形状不必为与本实施例相同的圆形,也可以使用椭圆、线形或矩形的激光。
另外,用激光位移计24检测出焊条62的前端位置,用焊料供给部21进行调整,使得不管激光聚光点41的位置以及大小如何,焊条62的前端都总是位于槽5的中心,据此可防止焊条62在槽5的侧壁熔积而在焊接下一层时阻碍焊条62的进给。槽5内部的焊条62的前端位置通过使用了激光位移计24的二维截面测量而求出,将其反馈到焊料供给部21从而进行位置调整。在实施例2中,若槽5的深度为100mm,槽上部的宽度为10mm以下,则可进行完整的焊接。
在实施例2中,被焊接材料100的材质为SM400A,焊条62的材质为YGT50,但也可以使用其他的材料。另外,焊料也可以是焊丝的形态。
保护气体7也可以使用其他的惰性气体,惰性气体和二氧化碳、氧气混合了的气体。保护气体供给装置3以及焊料供给部21的配置位置相对于焊接进行方向11也可以在本实施例的相反侧。
本发明也可以用于对发电厂、化工厂中的大型构造物、造船、重型设备等进行的厚板焊接。

Claims (14)

1.一种激光狭槽焊接装置,一边向狭槽内进给固体焊料一边在焊接进行方向上扫描激光,在形成于上述槽底部的熔池使固体焊料和被焊接材料熔融从而进行焊接;其特征在于,
上述激光狭槽焊接装置具有激光照射头和焊料控制装置;上述激光照射头,使上述槽底部的激光照射量周期性地变化;上述焊料控制装置,具有向上述熔池供给固体焊料的固体焊料供给部和检测固体焊料的前端位置的位置检测装置,并独立于上述激光照射头的动作地进行固体焊料的位置调整,使得固体焊料前端位于槽中央。
2.根据权利要求1所述的激光狭槽焊接装置,其特征在于,上述激光照射头,使上述槽底部的上述激光的照射位置与槽底部平行地以规定振幅周期性地摆动。
3.根据权利要求2所述的激光狭槽焊接装置,其特征在于,上述焊料控制装置,与使激光的照射位置在上述槽底部摆动的周期同步,使由上述固体焊料供给部供给的固体焊料的供给速度周期性地变化。
4.根据权利要求1所述的激光狭槽焊接装置,其特征在于,上述激光照射头,使激光聚光点的尺寸在槽的底部在规定的尺寸范围内周期性地变化。
5.根据权利要求4所述的激光狭槽焊接装置,其特征在于,上述焊料控制装置,与使激光聚光点的尺寸在上述槽的底部变化的周期同步,使由上述固体焊料供给部供给的固体焊料的供给速度周期性地变化。
6.根据权利要求1所述的激光狭槽焊接装置,其特征在于,具有包括内侧管嘴和外侧管嘴的保护气体供给装置,上述内侧管嘴将插入上述槽中的前端和激光聚光点的中心之间的距离保持为规定的间隔,并且,向上述熔池喷出保护气体,上述外侧管嘴内包上述内侧管嘴而形成双层管结构、向上述熔池的周围喷出保护气体。
7.根据权利要求6所述的激光狭槽焊接装置,其特征在于,具有保护气体供给装置,该保护气体供给装置的上述外侧管嘴位于槽的外部,上述外侧管嘴前端和槽上部之间的距离维持为规定的间隔。
8.一种激光狭槽焊接方法,一边向狭槽内进给固体焊料一边在焊接进行方向上扫描激光,在形成于上述槽底部的熔池使固体焊料和被焊接材料熔融从而进行焊接;其特征在于,
使上述槽底部的激光照射量周期性地变化,检测固体焊料的前端位置,并独立于上述激光照射头的动作地进行固体焊料的位置调整,使得固体焊料前端位于槽中央。
9.根据权利要求8所述的激光狭槽焊接方法,其特征在于,使上述槽底部的上述激光的照射位置与槽底部平行地以规定振幅周期性地摆动。
10.根据权利要求9所述的激光狭槽焊接方法,其特征在于,与使激光的照射位置在上述槽底部摆动的周期同步,使由上述固体焊料供给部供给的固体焊料的供给速度周期性地变化。
11.根据权利要求8所述的激光狭槽焊接方法,其特征在于,使激光聚光点的尺寸在槽底部在规定的尺寸范围内周期性地变化。
12.根据权利要求11所述的激光狭槽焊接方法,其特征在于,与使激光聚光点的尺寸在槽底部变化的周期同步,使由上述固体焊料供给部供给的固体焊料的供给速度周期性地变化。
13.根据权利要求8所述的激光狭槽焊接方法,其特征在于,具有以下保护气体供给方法,将插入槽中的前端和激光聚光点的中心之间的距离保持为规定的间隔,并且,向上述熔池喷出保护气体,而且向上述熔池的周围喷出保护气体。
14.根据权利要求13所述的激光狭槽焊接方法,其特征在于,具有以下保护气体供给方法,上述外侧管嘴位于槽的外部,并且将上述外侧管嘴前端和槽上部之间的距离维持为规定的间隔。
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